靜電實驗中漏電現象的若干思考

陳大川

摘 要：靜電實驗是物理實驗中的一個非常重要的部分。該文首先對物理靜電實驗中靜電的產生原因進行分析，在物理實驗中，靜電實驗是較為重要的一個內容。靜電演示實驗，能夠加深對電學相關知識的認知與直觀地進行把握，以激發對電學知識學習的興致，并對電學知識進行全面地掌握，然后著重分析靜電實驗中的漏電現象，最后闡述了選取絕緣材料防止漏電現象的發生。

關鍵詞：靜電實驗 漏電現象 摩擦生電 電學

中圖分類號：O441.1 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）09（a）-0222-02

由于影響靜電實驗成功與否的相關因素非常多，從而致使靜電實驗的成功率非常低，或者很難達到預期的效果。在靜電實驗中，一個突出的問題——漏電，是制約實驗成功的重要因素，也會對實驗者的人身安全產生一定的影響。該文著重對靜電實驗中的漏電現象進行探討與分析。

1 靜電實驗中靜電的產生原因

1.1 摩擦帶電是最為常見的一種起電方法

當兩種不同的物質互相接觸的時候，由于這兩種物質核外電子的分布情況存在差異性，二者之間便存在著一個電位差（即存在電場E）。由于存在電位差，一般有電子從一個物體轉移至另外一個物體中，從而使得前者帶有正電（+），那么后者就會帶負電（-）。兩種物體之間互相發生摩擦，摩擦的作用會使得兩種物體之間的接觸點的數量增大，接觸地更加緊密，從而使得電子轉移的機會得以增大，加上摩擦溫度地上升，加快了電子轉移的速度。然而，從本質上而言，摩擦帶電屬于一種接觸式的帶電現象，當兩種物質互相接觸十分緊密的時候，其主要矛盾為電位差，互相摩擦的兩種材料間的擠壓程度越大，越容易使得兩種材料中電子的轉移，而使這兩種材料帶上電荷，而只有反復而不緊壓的摩擦是不容易生電的。所以，在實際的靜電實驗操作中，若要使得物體帶電，就應該互相緊壓進行摩擦。

在靜電實驗中有時使用絲綢摩擦2根玻璃棒，卻得到2根玻璃棒帶不同性質的電荷的異常現象。根據研究分析認為，使用絲綢摩擦第1根玻璃棒，由于玻璃棒失去電子而帶有正電荷，從而使得絲綢得到電子而帶負電，當外界空氣十分干燥的時候，絲綢上所帶有的負電荷不容易丟失。當與第2根玻璃棒同時摩擦的時候，由于摩擦次數比較少或者摩擦力度較小，不僅沒有讓玻璃棒失去負電荷，反而使得絲綢上的剩余的電子轉移至玻璃棒上面，那么這又使得第二根玻璃棒帶有負電荷，發生2根玻璃棒相互吸引的現象。為了有效預防異常情況的出現，第2次絲綢與玻璃棒摩擦起電之前，應該使用手充分地與絲綢接觸，使得絲綢原來所帶有的負電荷釋放完全之后，再使用玻璃棒進行摩擦。

1.2 感應帶電也屬于靜電實驗中較為常見的方法

靜電感應是靜電場中的導體之中，自由電荷受到場力作用的移動，電荷會重新分布，最終達到靜電平衡的狀態，從而使得導體不同的部位帶有正、負電荷的現象。感應帶電是在靜電感應的條件下，使得導體的一側接地之后，將靜電場去掉，那么導體另外一側額電荷重新分布于導體的表面位置處，應用這種方法使得導體帶電的優勢之處為：導體極易帶電，而且帶電量也非常容易得到有效控制，需要注意導體應該與地保持絕緣的狀態。

2 靜電實驗中的“漏電”現象分析

凡是做過靜電實驗的都有這樣的體會，靜電實驗常常在實驗之中的電漏完了，或者根本就未帶有多少電荷，那么由此可以看出“漏電”現象是靜電實驗中的一個重要原因。那么到底是哪些方面的因素導致“漏電”現象的呢？筆者通過實際實驗經驗，總結如下幾點原因：（1）天氣潮濕，空氣中的自由電荷較多；（2）導體表面有尖端，一般會發生“尖端放電”的現象；（3）絕緣材料絕緣性能差；（4）人為操作方面因素的影響。在環境方面，可以選取干燥、晴朗的天氣或者應用電吹風吹干靜電儀器的方法對這些問題加以解決；對于“尖端放電”的現象，靜電儀器一般需要做成圓弧形狀。雖然如此，很多靜電實驗卻很難獲得成功。由此可以看出，絕緣材料的絕緣性能是影響靜電實驗的關鍵因素。

如下簡要的演繹能夠證明上述觀點。現假設一個導體球（電容量為C，帶電量大小為Q0），使用1根絕緣棒（電阻值為R）作為支撐，現假設導體經絕緣棒進行放電，那么即可得到放電的微分方程：

Q/C+R·（dQ/dt）=0 （1）

經計算得出如下結果：

Q=Q0×e-t/（RC） （2）

其電壓為：U=（Q0/C）×e-t/（RC） （3）

根據上式（2）可以看出，導體球帶電荷量Q由初始電量Q0、導體電容量C、時間t以及絕緣棒的電阻值R共同決定的。如果Q0、C及t值不變，那么R為影響電量Q的因素。那么，對于不同R值的絕緣體而言，其對電量Q 的影響程度到底多大？下面可以進行一些估算，現假設C=10PF，U0=Q0/C=2000V，那么：Q0=U0C=2000V×10×10-12=2.0×10-8C；若此絕緣棒是一根干燥的木棒（長度L為0.2 m，半徑r=0.5 cm），那么電阻率≈108Ω·mm2·m-1，那么由此可以計算出電阻R=L/S≈2.5×1011Ω，時間常數=RC=2.5 s。當時間t=8 s的時候，則可計算出電量Q= Q0×e-t/（RC）=8.2×10-10C，而U=Q/C=82 V。現將此絕緣棒改稱為石蠟（=1018Ωmm2·m-1）采用上述的方法進行演算，得出如下結果：R≈2.5×1021Ω，≈2.5×1010 s，當t=2 h時，導體球的電壓僅僅降低了0.002 V。

由上述推算的結果可以看出，在導體球電容與絕緣支柱大小不變的條件下，導體的帶電情況主要受到絕緣體的絕緣狀態的決定。所以，要想做好靜電實驗，選取絕緣性能較好的絕緣材料減少漏電的發生是該實驗成功的關鍵環節之處。

3 靜電實驗應該對絕緣問題進行考慮

靜電實驗的主要特征表現在“高電壓、微電荷”。所以，在靜電實驗過程中極易出現“漏電”情況的發生，一旦漏電便會對靜電實驗的成功性產生直接的影響。所以說，若要做好靜電物理實驗，首先應該對絕緣問題加以解決，選擇合適的絕緣材料對靜電實驗的成功與否極為關鍵。靜電物理實驗的特征為高電壓、微電荷，所以要求選擇的材料具有非常強的絕緣性能，某些絕緣體，如，香蕉、玻璃等材料在空氣潮濕或者表面不清潔的條件下會喪失其應有的絕緣性能，甚至還可能成為導體。所以說，更應該加強在實驗之前對于所選擇材料的絕緣性進行檢驗。絕緣性檢驗的一種較為簡單的方法為使用靈敏性較好的驗電器，將絕緣體的一側接觸驗電器的導桿，按照指針的閉合及張開角度來對材料的絕緣性能加以確定。

4 結語

綜上所述，為了做好靜電實驗，預防“漏電”現象的發生，可從如上幾個方面進行探索、研究，只要我們清楚地分析了實驗過程及這些關鍵性的影響因素，勢必會對物理靜電實驗的研究具有很好的指導性作用。

參考文獻

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